Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC

Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng lại ở mức sơ khai là nhận dạng ra các đối tượng gia công 2.5D đơn giản còn toàn bộ quá trình lựa chọn dụng cụ cắt cũng như hình thành phương án gia công cho cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phùng Xuân Lan

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRỢ GIÚP

THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG

CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phùng Xuân Lan

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRỢ GIÚP THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG

CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

LỜI CÁM ƠN

Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS TS Trần Văn Địch

và PGS TS Hoàng Vĩnh Sinh NCS xin gửi lời cám ơn chân thành tới

GS TS Trần Văn Địch đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên NCS những lúc

NCS gặp khó khăn và hỗ trợ NCS những điều kiện tốt nhất trong nghiên cứu NCS

xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn tận tình của PGS TS Hoàng Vĩnh

Sinh Thầy đã có nhiều định hướng đúng đắn cho NCS ngay từ những ngày đầu để

giúp cho NCS có kết quả ngày hôm nay

NCS cũng bày tỏ lời cám ơn chân thành tới tập thể các thầy/cô giáo và các bạn

đồng nghiệp tại Bộ môn Công nghệ chế tạo máy đã luôn cổ vũ, chỉ bảo và góp

nhiều ý kiến chân thành và khách quan giúp đỡ NCS trên chặng đường nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành tới Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí

đã luôn tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu của mình

Tôi xin cám ơn tới gia đình, bố, mẹ, chồng, anh chị em và các con tôi đã luôn tạo

mọi điều kiện và cổ vũ tinh thần tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin gửi lời cám ơn tới Công ty cổ phần xây lắp và thiết bị công nghiệp

MEKAMIC đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc thu thập dữ liệu và thử nghiệm hệ

thống

Tôi chân thành cám ơn tất cả!

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 4

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ QTCN CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH 5

1.1 Thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP) 5

1.2 Các phương pháp CAPP 7

1.2.1 CAPP khả biến 8

1.2.2 CAPP khả sinh 9

1.2.3 CAPP phối hợp 9

1.3 Các hướng tiếp cận trong việc nhận dạng đối tượng gia công 10

1.4 Lựa chọn dụng cụ cắt 14

1.4.1 Lựa chọn chủng loại dụng cụ cắt 15

1.4.2 Lựa chọn kích thước dụng cụ cắt 17

1.5 Thiết lập thứ tự nguyên công 18

Kết luận chương 1 20

2 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG GIA CÔNG 21 2.1 Sơ đồ thực hiện 21

2.2 Phân loại các đối tượng gia công 22

2.3 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng tạo hình dạng vẽ phác 25

2.3.1 Quá trình trích xuất dữ liệu với trường hợp đối tượng tạo hình dạng vẽ phác 25

2.3.2 Quá trình nhận dạng đối tượng gia công từ các đối tượng tạo hình

dạng vẽ phác 32

2.4 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng tạo hình dạng thiết lập đặc tính và vị trí 33

2.4.1 Quá trình trích xuất đối tượng tạo hình lỗ (HoleWzd) 33

2.4.2 Quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình HoleWzd 34

2.4.3 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng chuyển tiếp 34

2.5 Quá trình trích xuất và nhận dạng yêu cầu kỹ thuật 35

2.6 Quá trình nhận dạng các mối quan hệ giữa các đối tượng tạo hình 37

Kết luận chương 2 39

3 CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN TRANG BỊ CÔNG NGHỆ VÀ THỨ TỰ NGUYÊN CÔNG 40

3.1 Phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt 40

3.1.1 Phương pháp phân tích thứ bậc để lựa chọn loại dụng cụ cắt 40

3.1.2 Lựa chọn kích thước dụng cụ cắt 51

3.1.3 Thuật toán lựa chọn dụng cụ cắt 53

3.1.4 Xác định chế độ cắt 55

3.2 Lựa chọn máy công cụ 57

3.3 Phương pháp thiết lập thứ tự nguyên công 58

3.3.1 Mô hình hóa bài toán thiết lập thứ tự gia công 59

3.3.2 Xây dựng các ma trận ràng buộc thứ tự 60

3.3.3 Chi phí gia công 64

3.3.4 Thiết lập thứ tự gia công trong trường hợp lựa chọn thiết bị cố định

65

3.3.5 Thiết lập thứ tự gia công với trường hợp lựa chọn thiết bị linh hoạt 71 Kết luận chương 3 77

4 CHƯƠNG 4 - XÂY DỰNG CSDL PHỤC VỤ THIẾT KẾ QTCN 78

4.1 Thiết kế CSDL 78

4.1.1 Đặc điểm và cấu trúc của CSDL thiết kế QTCN 78

4.1.2 Mô hình quản trị CSDL 80

4.2 CSDL các lựa chọn ban đầu 81

4.2.1 CSDL vật liệu gia công 81

4.2.2 CSDL máy gia công 83

4.2.3 CSDL dụng cụ cắt 83

4.3 CSDL chi tiết gia công 85

4.4 CSDL mã hoá 89

4.5 CSDL lưu trữ luật nhận dạng/lựa chọn 91

4.5.1 Luật nhận dạng đối tượng gia công 91

4.5.2 Luật lựa chọn chủng loại dụng cụ cắt 94

4.5.3 Luật nhận dạng phương pháp gia công 96

Kết luận chương 4 98

5 CHƯƠNG 5 - XÂY DỰNG PHẦM MỀM BKCAPP ĐỂ THIẾT KẾ QTCN GIA CÔNG CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC 99

5.1 Mô tả về hệ thống BKCAPP 99

5.2 Thử nghiệm 01 104

5.2.1 Đặc điểm 104

5.2.2 Kết quả thiết kế QTCN 105

5.2.3 Đánh giá kết quả 109

5.3 Thử nghiệm 02 110

5.3.1 Đặc điểm 110

5.3.2 Kết quả thiết lập quy trình công nghệ 112

5.3.3 Kết quả gia công từ thực tế 113

5.3.4 Đánh giá kết quả 114

5.4 Thử nghiệm 03 117

5.4.1 Đặc điểm 117

5.4.2 Kết quả thiết lập quy trình công nghệ 118

5.4.3 Đánh giá kết quả 121

5.5 Các thử nghiệm khác 121

5.5.1 Đặc điểm 122

5.6 Thống kê kết quả thử nghiệm 122

Kết luận chương 5 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 124

Kết luận 124

Kiến nghị 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 131

PHỤ LỤC 1

A Giới thiệu phần mềm BKCAPP 1

A.1 Tab Đối tượng gia công 1

A.2 Tab Dụng cụ cắt 1

A.3 Tab Máy gia công 5

Â.4 Tab Phương pháp gia công 6

A.5 Tab Thứ tự gia công 7

B Kết quả các bước xử lý trong hệ thống BKCAPP (Thử nghiệm 01) 9

C Kết quả các bước xử lý trong hệ thống BKCAPP (Thử nghiệm 02) 13

D Kết quả các bước xử lý trong hệ thống BKCAPP (Thử nghiệm 03) 16

E Kết quả thiết lập thứ tự nguyên công hiển thị trong SolidWorks (Thử nghiệm 04, 05) 19

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CNC : Computer Numerical Control (Điều khiển số sử dụng máy tính)

CAPP : Computer Aided Process Planning (Thiết kế QTCN có sự trợ giúp

của máy tính)

CAD : Computer Aided Design (Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính)

CAM : Computer Aided Manufacturing (Gia công có sự trợ giúp của máy

tính)

QTCN : Thiết kế quy trình công nghệ

VBA : Visual Basic for Application (Ngôn ngữ lập trình VB cho ứng dụng)

MCC : Chi phí thay đổi máy

SCC : Chi phí thay đổi phương án gá đặt

TCC : Chi phí thay đổi dụng cụ cắt

TAD : Hướng tiếp cận của dụng cụ cắt

AI : Trí tuệ nhân tạo

LE : Đặc điểm gia công

IGTOL : Sai lệch vị trí tương quan

SC : Đặc tính hình học

Qa : Chất lượng gia công

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông tin mã hóa dữ liệu hình học 26

Bảng 2.2 Luật nhận dạng tính chất đóng, mở của đối tượng 30

Bảng 2.3 Luật nhận dạng điều kiện bao (dạng cắt và dạng khối) 30

Bảng 2.4 Một số luật nhận dạng đối tượng gia công tạo hình dạng vẽ phác 33

Bảng 2.5 Một số luật nhận dạng đối tượng tạo hình dạng lỗ 34

Bảng 2.6 Luật nhận dạng các đối tượng chuyển tiếp ngoài 35

Bảng 2.7 Một số dữ liệu yêu cầu kỹ thuật được trích xuất 35

Bảng 2.8 Quy đổi độ nhám bề mặt sang cấp chính xác gia công 36

Bảng 2.9 Quy đổi độ chính xác về một số sai lệch vị trí tương quan sang

cấp chính xác gia công 37

Bảng 2.10 Định nghĩa mối quan hệ giữa các đối tượng tạo hình 37

Bảng 3.1 Thang đo mức độ quan trọng 41

Bảng 3.2 Giá trị RI 42

Bảng 3.3 Mức độ quan trọng của giữa các tiêu chí chính 47

Bảng 3.4 Ma trận so sánh mức độ quan trọng với tỷ lệ kích thước nhỏ (Lựa chọn nhỏ) 48

Bảng 3.5 Quy ước xếp nhóm các thông số đầu vào của AHP 48

Bảng 3.6 Các loại kích thước cơ bản của hốc 52

Bảng 3.7 Ràng buộc thứ tự giữa các đối tượng giao nhau 61

Bảng 3.8 Luật nhận dạng ràng buộc thứ tự 62

Bảng 3.9 Danh sách các bước/NC và các trang bị công nghệ tương ứng 69

Bảng 3.10 Thông tin về đối tượng gia công và nguyên công 73

Bảng 3.11 Bảng ràng buộc thứ tự nguyên công 73

Bảng 3.12 Thông tin về chi phí gia công 74

Bảng 3.13 Thứ tự nguyên công và các lựa chọn máy, TAD và dụng cụ cắt tương ứng 75

Bảng 3.14 Thứ tự nguyên công và các lựa chọn máy, TAD và dụng cụ cắt tương ứng 76

Bảng 4.1 Danh sách các bảng và chức năng trong CSDL chi tiết gia công 86

Bảng 4.2 Mã hoá loại dụng cụ cắt 89

Bảng 4.3 Mã hoá đối tượng gia công 90

Bảng 4.4 Mã hoá phương pháp gia công 90

Bảng 4.5 Mã hoá đặc điểm gia công 91

Bảng 4.6 Luật nhận dạng đối tượng gia công dạng tạo hình dạng vẽ phác 92

Bảng 4.7 Bảng kích thước trích xuất của đối tượng tạo hình dạng lỗ (HoleWzd)

93

Bảng 4.8 Luật nhận dạng các đối tượng gia công dạng lỗ (HoleWzd) 94

Bảng 4.9 Một số luật trong CSDL luật lựa chọn thứ tự ưu tiên loại dụng cụ cắt 95 Bảng 4.10 Ý nghĩa của các thông số đầu vào trong lựa chon loại dụng cụ cắt 96

Bảng 4.11 Một số luật trong CSDL luật nhận dạng phương pháp gia công 97

Bảng 5.1 So sánh thời gian chuẩn bị sản xuất của hai phương pháp 115

Bảng 5.2 So sánh phương án thiết kế QTCN 116

Bảng 5.3 Thời gian gia công và gá đặt giữa hai phương án thiết kế QTCN 116

Bảng 5.4 So sánh kết quả thiết lập QTCN giữa hai CSDL 121

Bảng 5.5 Đặc điểm của các thử nghiệm 122

Bảng 5.6 Thống kê kết quả thử nghiệm 123

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lập quy trình công nghệ thủ công 5

Hình 1.2 Mô hình chung của CAPP 6

Hình 1.3 Các phương pháp CAPP 8

Hình 1.4 Sơ đồ quan hệ và luật nhận dạng hốc [49] 12

Hình 1.5 Luật nhận dạng rãnh thông chữ nhật 13

Hình 1.6 Đối tượng gia công 2.5D cơ bản 14

Hình 1.7 Các yếu tố cơ bản cần xác định khi lựa chọn dụng cụ cắt 15

Hình 1.8 Cấu trúc mạng nơron trong lựa chọn loại dụng cụ cắt 16

Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết lập quy trình gia công 22

Hình 2.2 Phân loại các đối tượng gia công theo đặc điểm tạo hình 23

Hình 2.3 Các loại đối tượng gia công 23

Hình 2.4 Đặc điểm của các phương thức gia công 24

Hình 2.5 Phân loại các đối tượng tạo hình 24

Hình 2.6 Lược đồ mô tả quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình dạng sketch 25

Hình 2.7 Phân loại các dạng điều kiện bao 28

Hình 2.8 Một số ví dụ về các dạng giao nhau cơ bản 29

Hình 2.9 Đặc tính giao của đối tượng 29

Hình 2.10 Mô tả các mặt bao, hướng mở và hướng đóng của đối tượng 29

Hình 2.11 Định nghĩa một số dạng vát 31

Hình 2.12 Hướng mở của đối tượng 32

Hình 2.13 Nhận dạng đối tượng gia công là bậc kín 2.5D chữ nhật 32

Hình 3.1 Cấu trúc thứ bậc 41

Hình 3.2 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt bậc thẳng) 44

Hình 3.3 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt cạnh) 45

Hình 3.4 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt đầu) 45

Hình 3.5 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt rãnh) 46

Hình 3.6 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt hốc 2.5D) 46

Hình 3.7 Gia công mặt bậc thành mỏng 49

Hình 3.8 Mức độ ảnh hưởng của các tiêu chí chính 50

Hình 3.9 Mức độ ưu tiên của các phương án lựa chọn 50

Hình 3.10 So sánh một số tiêu chí cơ bản giữa các phương án khi gia công 51

Hình 3.11 Sơ đồ khối lựa chọn dụng cụ cắt 54

Hình 3.12 Thuật toán lựa chọn dụng cụ cắt và thông số chế độ cắt trong CSDL 56 Hình 3.13 Thuật toán lựa chọn máy theo thứ tự ưu tiên 58

Hình 3.14 Mô hình bài toán thiết lập thứ tự nguyên công 59

Hình 3.15 Các phương án thiết lập thứ tự nguyên công 60

Hình 3.16 Thuật toán thiết lập thứ tự nguyên công 66

Hình 3.17 Chi tiết cần thiết lập thứ tự nguyên công 69

Hình 3.18 Sơ đồ ràng buộc thứ tự của các bước/NC 70

Hình 3.19 So sánh chi phí gia công của các phương án thứ tự sau các vòng lặp 70 Hình 3.20 So sánh với các thuật toán khác 76

Hình 4.1 Cấu trúc CSDL phục vụ thiết kế QTCN 79

Hình 4.2 Mô hình dữ liệu trong hệ thống quản trị CSDL 79

Hình 4.3 Sơ đồ mô tả đường luân chuẩn dữ liệu trong CSDL 80

Hình 4.4 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL vật liệu 82

Hình 4.5 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL máy 82

Hình 4.6 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL dụng cụ cắt 84

Hình 4.7 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL chi tiết gia công 88

Hình 5.1 Sơ đồ mô tả hệ thống BKCAPP 99

Hình 5.2 Giao diện nhận dạng đối tượng gia công trong SolidWorks 100

Hình 5.3 Giao diện kết quả nhận dạng đối tượng gia công trong SolidWorks 100 Hình 5.4 Giao diện lựa chọn đầu vào trong BKCAPP 101

Hình 5.5 Định nghĩa phôi 102

Hình 5.6 Giao diện hiển thị và tra cứu vật liệu gia công 102

Hình 5.7 Giao diện hiển thị thư viện dụng cụ cắt 103

Hình 5.8 Giao diện hiển thị thư viện máy gia công 103

Hình 5.9 Mô hình vật thể rắn 3D trong SolidWorks (Thử nghiệm 01) 105

Hình 5.10 Kết quả nhận dạng đối tượng gia công của đối tượng tạo hình Cut-Extrude3 107

Hình 5.11 Mô tả dữ liệu vào, ra của quá trình thiết lập QTCN (Thử nghiệm 01) 108

Hình 5.12 Chi tiết yêu cầu gia công trong Thử nghiệm 02 110

Hình 5.13 Mô hình vật thể rắn 3D trong SolidWorks (Thử nghiệm 02) 111

Hình 5.14 Dữ liệu đầu vào, đầu ra của quá trình thiết lập QTCN (Thử nghiệm 02) 113

Hình 5.15 Đo kiểm chi tiết 114

Hình 5.16 Quá trình gia công và sản phẩm hoàn thiện 114

Hình 5.17 Chi tiết yêu cầu gia công (Thử nghiệm 03) 117

Hình 5.18 Mô hình vật thể rắn 3D trong SolidWorks (Thử nghiệm 03) 118

Hình 5.19 Dữ liệu đầu vào và đầu ra của quá trình thiết lập QTCN (Thử nghiệm 03 - CSDL1) 120

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Lập quy trình công nghệ (QTCN) là một khâu kết nối quan trọng giữa hai nhiệm

vụ then chốt của quá trình sản xuất là thiết kế và gia công Lập QTCN giải quyết vấn đề lựa chọn các quá trình sản xuất cần thiết, lựa chọn thiết bị gia công và dụng

cụ cắt hợp lý, thiết lập thứ tự gia công để biến ý tưởng của nhà thiết kế thành những sản phẩm hiện hữu một cách kinh tế và có hiệu quả Trong các nhà máy gia công cơ khí ở Việt Nam hiện nay, đa phần các công việc này đều được tiến hành thủ công Khi lập QTCN thủ công, người kỹ sư phải mất nhiều thời gian để tra cứu sổ tay, tính toán, lựa chọn và ra quyết định cũng như chuẩn bị các tài liệu thiết kế Công

việc này càng khó khăn, tốn nhiều thời gian và công sức khi mà số lượng và

chủng loại của các trang thiết bị đặc biệt là dụng cụ cắt ngày càng lớn và thường xuyên có sự biến động về số lượng Hơn nữa, trong lập QTCN thủ công thì chất lượng thiết kế phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế Chính sự khác nhau giữa các thế hệ kỹ sư với các kinh nghiệm không đồng đều cũng làm cho

chất lượng của QTCN không ổn định Mặt khác, trong thiết kế QTCN bên cạnh

những công việc đòi hỏi tư duy và tri thức của con người còn có những công việc

nhàm chán mất nhiều thời gian Chính vì vậy, nhu cầu có một hệ thống hỗ trợ

thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP) là hết sức cần thiết để có thể tận dụng khả năng tính toán, xử lý và truy xuất nhanh của máy tính với tư duy và tri thức của con người cho phép rút ngắn thời gian thiết lập QTCN Kết quả của CAPP

không chỉ dừng lại ở việc cung cấp một tài liệu thiết kế hướng dẫn gia công mà còn

được dùng trong nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất từ lập kế

hoạch sản xuất, quản lý nguồn nhân lực sản xuất, điều hành sản xuất, hạch toán kinh

tế

Trong nền sản xuất hiện đại, máy tính đã hỗ trợ người kỹ sư rất nhiều trong thiết

kế mô hình sản phẩm (CAD) và hình thành đường chạy dao cùng file gia công NC (CAM) nhưng những hỗ trợ trong thiết kế quy trình công nghệ (CAPP) còn nhiều

hạn chế và chưa bắt kịp được sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM

Mặc dù được coi là cầu nối giữa CAD và CAM nhưng CAPP phức tạp và khó khăn hơn nhiều Thực tế cho thấy rằng, hiện nay các phần mềm thương mại CAD/CAM được phát triển rất mạnh bởi nhiều hãng như Autodesk, Dassault System, Siemens v.v nhưng chưa phát triển được một mô-đun phần mềm CAPP thương mại thực sự

do tính chất đa dạng và phức tạp của CAPP Một số hệ CAD/CAM như Siemens, CATIA cũng có phát triển mô-đun nhận dạng đối tượng gia công là dữ

NX-liệu đầu vào của CAPP Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng lại ở mức sơ khai là nhận dạng

ra các đối tượng gia công 2.5D đơn giản còn toàn bộ quá trình lựa chọn dụng cụ cắt cũng như hình thành phương án gia công cho các đối tượng này một cách chi tiết và

cụ thể thì chưa có Khi nền sản xuất ngày càng phát triển, thì nhu cầu hình thành một QTCN nhanh, chính xác, tự động và ổn định là hết sức cần thiết Trong bối

cảnh như vậy, nghiên cứu phát triển hệ thống hỗ trợ thiết kế QTCN bằng máy

tính có một ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn Đó cũng chính là lý do cơ bản

mà nghiên cứu sinh (NCS) cùng tập thể hướng dẫn đã lựa chọn đề tài của luận án là:

“Nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC’’

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống trợ giúp thiết lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC bằng máy tính, cho phép hình thành các phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công trực tiếp từ mô hình vật thể rắn 3D thiết

kế trong phần mềm CAD thương mại

Nội dung của luận án

(1) Xây dựng phương pháp nhận dạng các đối tượng gia công trên cơ sở các đối tượng tạo hình trực tiếp trong phần mềm CAD thương mại

(2) Xây dựng phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ bao gồm máy, dụng cụ cắt và phương pháp thiết lập thứ tự gia công trên cơ sở dữ liệu (CSDL) thay đổi linh hoạt

(3) Xây dựng giao diện tích hợp CAD-CAPP thử nghiệm với nhiều chi tiết và cho phép ứng dụng trong thực tế sản xuất

Đối tượng và phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Các chi tiết gia công trên máy phay/khoan CNC

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết chủ yếu được sử dụng để xây dựng phương pháp trợ giúp thiết lập QTCN gia công các chi tiết bằng máy tính

Giao diện tích hợp CAD-CAPP được xây dựng để kiểm nghiệm phương pháp và thuật toán CSDL thực tế đã được thu thập từ nhà máy sản xuất và tiến hành thử nghiệm với một số chi tiết gia công để kiểm chứng và hiệu chỉnh phương pháp

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

 Xây dựng được phương pháp nhận dạng đối tượng gia công mới, cho phép

mở rộng phạm vi nhận dạng ra nhiều loại đối tượng khác nhau, trực tiếp trong phần mềm CAD thương mại

 Xây dựng được phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ theo thứ tự ưu tiên trên cơ sở đánh giá đa tiêu chí, gắn kết với những thay đổi linh hoạt của CSDL và phương pháp hình thành thứ tự gia công cho phép rút ngắn thời gian

xử lý

 Xây dựng được bộ luật nhận dạng đối tượng gia công, phương pháp gia công

và lựa chọn dụng cụ cắt làm cơ sở cho việc thiết kế QTCN

 Thiết kế được một hệ CSDL cho phép mở rộng và quản lý hiệu quả dữ liệu của quá trình thiết kế QTCN

Ý nghĩa thực tiễn

 Giao diện CAD-CAPP (BKCAPP) được viết trên cơ sở kết quả nghiên cứu của luận án có khả năng ứng dụng trong đào tạo, nghiên cứu và thực tế sản xuất

 Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được kiểm nghiệm trong thực tế để gia công chi tiết tại Công ty MEKAMIC cho phép giảm thời gian chuẩn bị sản xuất và thời gian gia công, nâng cao khả năng tự động hoá trong nhà máy

Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu

Là đề tài nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về phương pháp thiết lập QTCN bằng phương pháp khả sinh cho phép mở rộng tương tác của người sử dụng Xây dựng được phương pháp mới trên cơ sở thiết lập bộ nhận dạng gồm bảy yếu tố cho phép nhận dạng nhiều loại đối tượng gia công từ thông tin hình học đến các yêu cầu kỹ thuật

Xây dựng được phương pháp mới để lựa chọn dụng cụ cắt theo thứ tự ưu tiên trên cơ sở đánh giá đa tiêu chí, thích hợp với sự đa dạng và linh hoạt của CSDL Xây dựng được phương pháp chọn lọc ghép nhóm để thiết lập thứ tự gia công với thời gian xử lý rút ngắn so với các phương pháp trước

Xây dựng được giao diện CAD-CAPP (BKCAPP) trợ giúp thiết kế QTCN trực tiếp từ mô hình CAD 3D thiết kế từ phần mềm CAD thương mại

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 5 chương, nội dung chính của từng chương được tóm tắt như sau:

Chương 1 - Trình bày các lý thuyết tổng quan về thiết kế QTCN có sự trợ giúp

của máy tính (CAPP) Kết luận của chương chỉ ra các tồn tại của các nghiên cứu hiện tại và hướng nghiên cứu của luận án

Chương 2 - Trình bày phương pháp mới để nhận dạng đối tượng gia công trực

tiếp từ mô hình vật thể rắn 3D về cả hai mặt thông số hình học và yêu cầu kỹ thuật Kết quả là giải quyết về cơ bản nút thắt quan trọng giữa CAD và CAPP tạo ra dòng tích hợp giữa CAD/CAPP

Chương 3 - Trình bày các phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ bao gồm

máy, dụng cụ cắt, chế độ cắt và thiết lập thứ tự gia công Kết quả của phương pháp lựa chọn cho ra thứ tự ưu tiên của các phương án

Chương 4 - Trình bày cách thức xây dựng CSDL phục vụ thiết kế QTCN CSDL

không chỉ lưu trữ thông tin mô tả mà còn lưu trữ các luật nhận dạng và lựa chọn, tạo

cơ sở cho việc cập nhật và hiệu chỉnh các thông tin của toàn hệ thống một cách độc lập và dễ dàng

Chương 5 - Xây dựng giao diện CAD/CAPP (BKCAPP) để thiết kế QTCN gia

công chi tiết trên máy phay CNC Chương trình máy tính đã được thiết lập để kiểm nghiệm phương pháp và thuật toán Một số chi tiết điển hình được thiết kế để thử nghiệm tính hiệu quả của phần mềm

Phần cuối cùng là kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài Tài liệu tham khảo và danh mục các công trình đã công bố

TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

1.1 Thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP)

Lập QTCN là bài toán kỹ thuật, kinh tế và tổ chức có nhiệm vụ biến tài liệu thiết

kế thành các tài liệu hướng dẫn (quy trình) thực thi quá trình gia công Để có thể thiết lập được một QTCN, bên cạnh những kiến thức về lập QTCN vững vàng, người kỹ sư cần có các kỹ năng thiết lập QTCN cùng các kinh nghiệm tích lũy của bản thân về nhiều lĩnh vực như mô tả trong Hình 1.1 Trong lập QTCN, có những việc đơn giản, rất tẻ nhạt nhưng cũng có những việc có tính trí tuệ cao, đòi hỏi tính toán phức tạp, lựa chọn và ra quyết định chính xác Người ta thấy rằng chỉ có khoảng 15% thời gian của người lập QTCN dành cho việc ra các quyết định kỹ thuật, 40% thời gian dành cho việc tra cứu, tìm kiếm dữ liệu và tính toán, toàn bộ thời gian còn lại dành cho việc chuẩn bị các tài liệu thiết kế [26]

Kinh nghiệm sản xuất thực tế

Nguồn lực có sẵn của nơi sản xuất

Kinh nghiệm về phôi, vật liệu thô

Đọc và hiểu bản vẽ cơ khí

Khả năng tính toán giá thành và thời gian

Kỹ năng, kinh nghiệm về lập QTCN

Hình 1.1 Lập quy trình công nghệ thủ công

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự ra đời của máy tính, người ta đang có xu hướng đưa máy tính vào trợ giúp các khâu trong quá trình sản xuất tiến

tới xây dựng một nền sản xuất hiện đại và CAPP cũng không nằm ngoài xu hướng

đó Máy tính cho phép lưu trữ một lượng dữ liệu lớn, khả năng truy xuất, tính toán chính xác và nhanh chóng Sự hỗ trợ của máy tính vào việc thiết kế QTCN có nhiều cấp độ khác nhau [26]

 Ở cấp độ thấp, máy tính và con người cùng tham gia vào việc thiết lập QTCN theo nguyên tắc để cho người và máy thực thi những công việc tốt nhất mà từng đối tượng có thể thực hiện Lúc này, máy tính chỉ đóng vai trò lưu trữ và truy xuất dữ liệu sử dụng cho quá trình thiết lập QTCN còn con người vẫn thực thi những công việc mang tính chất trí tuệ

 Ở cấp độ cao hơn, máy tính có thể tự động hình thành các QTCN cho một vài chi tiết có hình dáng đơn giản QTCN này có thể được hiệu chỉnh cho phù hợp với yêu cầu cụ thể

 Ở cấp độ cao nhất, là mục tiêu cuối cùng của CAPP, cho phép hình thành QTCN hoàn toàn bằng máy tính Khi đó toàn bộ giữa tri thức và kinh nghiệm thiết kế công nghệ cùng với toán tối ưu đều được tích hợp vào trong chương trình máy tính CSDL của hệ thống CAPP ở mức độ này cần

có khả năng kết nối trực tiếp với các hệ thống khác ví dụ như CAD và CAM

Hệ thống CAD Triết xuất và nhận dạng đối tượng gia công

Dữ liệu đầu vào (Đối tượng gia công)

Dữ liệu đầu ra (Quy trình công nghệ) Hệ thống CAM

Dữ liệu về kiến thức công nghệ (máy, dao, đồ gá, chế độ cắt )

Các quy tắc và ràng buộc công nghệ

Các mô hình toán

Các phương pháp lựa chọn, tối ưu

Hệ thống CAPP

Hình 1.2 Mô hình chung của CAPP

Bản chất của CAPP lúc này là một phần mềm với dữ liệu đầu vào là các thông tin hình học và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cần gia công đã được trích xuất và nhận dạng từ hệ thống CAD và đầu ra là QTCN để gia công chi tiết đó, đây lại là đầu vào của hệ thống CAM Để thực hiện được toàn bộ quy trình này, CAPP phải là một hệ thống bao gồm các CSDL công nghệ, các quy tắc và ràng buộc công nghệ, các mô hình toán kết hợp với phương pháp lựa chọn và tính toán tối ưu như mô tả trong Hình 1.2 Kết quả là cho phép thiết lập được QTCN một cách tự động, nhanh chóng

và hiệu quả

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng một hệ thống CAPP hiệu quả có thể làm giảm giá thành sản xuất xuống tới 30% và thời gian sản xuất một sản phẩm cũng có thể giảm xuống tới 50% [52] Hiệu quả của việc tự động hóa thiết kế nguyên công trên một số phương diện cũng được tác giả S Anderberg phân tích và so sánh trong một

số công ty chuyên gia công CNC [39] Do đó tính linh hoạt trong sản xuất, năng suất và chất lượng sản phẩm được nâng cao, thời gian sản xuất được rút ngắn, đáp ứng được nhu cầu của nền sản xuất hiện đại là sản xuất ra sản phẩm luôn thay đổi

vả cải tiến về mặt mỹ thuật và kỹ thuật Chính vì vậy, các vấn đề liên quan CAPP đã thu hút được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu từ cách đây bốn thập niên Ở Việt Nam, mặc dù các nghiên cứu tự động hóa thiết kế QTCN còn chưa nhiều nhưng cơ sở lý thuyết tự động hóa thiết kế QTCN và các phương pháp, kỹ thuật xây dựng hệ thống tự động hóa thiết kế QTCN đã được nghiên cứu và trình bày khá cụ thể trong cuốn sách của hai tác giả Nguyễn Đăng Bình và Nguyễn Phú Hoa [3] Một

số hệ thống CAPP đã được xây dựng và áp dụng cho chi tiết dạng tiện hay phay trên máy CNC bởi nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới [32, 55, 59] Không chỉ dừng lại ở

tự động hóa thiết kế QTCN trên máy CNC, nhiều nghiên cứu mở rộng sang các dạng khác như tạo mẫu nhanh hay uốn tấm [37] Điều này thể hiện tiềm năng phát triển các hướng nghiên cứu CAPP sang nhiều lĩnh vực khác nhau

CAPP đã được nghiên cứu, tạo lập và triển khai ứng dụng theo các phương pháp

như mô tả ở Hình 1.3 bao gồm:

 Phương pháp CAPP khả biến (Variant CAPP),

 Phương pháp CAPP khả sinh (Generative CAPP)

 Phương pháp CAPP phối hợp (Hybrid CAPP)

Với phương pháp CAPP khả biến người ta sử dụng các thủ tục phục hồi để truy cập các sơ đồ tiến trình công nghệ chuẩn cho các chi tiết tương tự nhau Do đó QTCN thường cứng và đơn giản; còn với phương pháp CAPP khả sinh, các sơ đồ tiến trình công nghệ được tạo lập tự động cho các chi tiết mới cần chế tạo mà không cần tham khảo các sơ đồ tiến trình công nghệ có sẵn trên cơ sở mô hình hình học và

công nghệ của đối tượng sản xuất (chi tiết, sản phẩm cơ khí) tạo lập trên máy tính, bao gồm cả chương trình gia công máy CNC [6] Phương pháp CAPP khả sinh có nhiều ưu điểm là sự linh hoạt và chi tiết của QTCN nhưng do việc thiết lập khó khăn và phức tạp nên phương pháp CAPP phối hợp trên cơ sở kết hợp giữa phương pháp khả sinh và khả năng tương tác của con người được xây dựng [40]

Lập QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP)

Tiếp cận chính xác trực tiếp

Phương pháp phối hợp

Kết hợp giữa phương pháp khả

sinh và khả năng tương tác và

tùy chỉnh của con người

Hình 1.3 Các phương pháp CAPP

1.2.1 CAPP khả biến

Quá trình xây dựng hệ thống CAPP khả biến khai thác sự tương đồng giữa các chi tiết cơ khí thông dụng và tìm kiếm thông qua CSDL, nhằm đưa ra được một số QTCN chuẩn cho họ chi tiết [27] QTCN chuẩn này sẽ được áp dụng cho các chi tiết thuộc cùng một họ và được sửa đổi cho phù hợp với từng chi tiết cụ thể trong một họ chi tiết, trên cơ sở phân loại, mã hoá và ghép nhóm các chi tiết cơ khí thông dụng theo hệ thống mã hoá phù hợp

Các hệ thống CAPP khả biến đã được tạo lập là giải pháp phát triển tiến bộ của giải pháp thủ công Bản chất chung của các hệ CAPP khả biến là quá trình phục hồi

và truy cập lại bằng máy tính những QTCN đã có từ bộ nhớ do người thiết kế QTCN tạo lập trước đây Với hệ CAPP khả biến, một QTCN điển hình cho một chi tiết tương tự có thể được truy cập, phục hồi lại tự động từ tệp của máy tính, nếu chi tiết mới cần chế tạo có những đặc điểm tương đồng với chi tiết điển hình và phù hợp với hệ thống mã hóa có sẵn của máy tính Từ đó, QTCN đã được truy cập ra sẽ được biên tập và điều chỉnh để phù hợp hơn với chi tiết mới cần chế tạo [40]

Cách thiết kế khả biến đòi hỏi phải có hệ CSDL bao hàm những QTCN tiêu chuẩn cho từng họ chi tiết QTCN tiêu chuẩn này được xây dựng từ những chỉ dẫn công nghệ cơ bản cần thiết để chế tạo từng chi tiết của một họ chi tiết Các chi tiết

cơ khí thông dụng và tiêu chuẩn được phân chia thành các họ chi tiết công nghệ

nhóm Trong công nghệ nhóm, từng chi tiết cơ khí được nhận một mã số tuỳ theo đặc điểm về kết cấu và công nghệ của nó và các chi tiết sẽ được ghép thành nhóm theo các họ phù hợp với mã số chi tiết Do đó, phương pháp này thích hợp với các nhà máy sản xuất có sự ổn định về chủng loại chi tiết Nhược điểm của phương pháp khả biến là khó hiệu chỉnh hệ thống đặc biệt là sự giới hạn về hệ thống mã hóa

và khó có thể hình thành một QTCN một cách chi tiết

1.2.2 CAPP khả sinh

Giải pháp CAPP khả sinh có bản chất là hệ cơ sở tri thức Hệ cơ sở tri thức được ứng dụng trong việc xây dựng QTCN chế tạo, thực chất là một tập hợp các quy luật

và nguyên tắc thiết kế công nghệ, được rút ra từ kinh nghiệm của những nguời thiết

kế công nghệ thành thạo và đã được thực tế sản xuất kiểm chứng [27] Không giống như giải pháp khả biến có sử dụng các QTCN chuẩn của họ chi tiết, giải pháp khả sinh dựa vào các logic xây dựng QTCN Giải pháp khả sinh cố gắng bắt chước tư duy của người thiết kế công nghệ bằng cách áp dụng logic ra quyết định của người thiết kế công nghệ Ngày nay, trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) và hệ chuyên gia (Expert System) là công cụ hiện đại để xác lập QTCN Trí tuệ nhân tạo là kỹ thuật giống như logic hình thức dùng để mô tả các chi tiết cơ khí Hệ chuyên gia dùng để hệ thống hoá quá trình xử lý tri thức của con người để áp dụng vào việc thiết kế QTCN Hệ thống CAPP khả sinh có đặc điểm là tạo ra các QTCN nhanh và nhất quán Nó có thể tạo lập các QTCN cho toàn bộ các chi tiết mới, mà không hạn chế ở các QTCN chuẩn của các chi tiết sẵn có như trong hệ thống CAPP khả biến Trong trường hợp có những thay đổi của CSDL thiết bị hay có các máy bị quá tải thì hệ thống khả sinh có thể tự động hình thành các QTCN khác Một ưu điểm nổi bật khác của hệ thống khả sinh là QTCN được hình thành tự động mà không phụ thuộc vào kinh nghiệm của người lập QTCN Nó là một hệ thống động và có thể được sử dụng trong hệ thống CIM [40] Mặc dù việc lập trình khó khăn hơn nhiều nhưng nó phù hợp với các ứng dụng thiết kế QTCN cho các chi tiết khác nhau, phù hợp với tính đa dạng của thiết kế chi tiết Do đó đáp ứng được sự thay đổi nhanh chóng của mẫu mã sản phẩm trên thị trường hiện nay

1.2.3 CAPP phối hợp

Mặc dù, phương pháp CAPP khả sinh là mục đích phát triển của hệ thống CAPP

Nó là hệ thống CAPP có đặc điểm tự động hoá rất cao, khi đó toàn bộ công việc được tiến hành tự động Tuy nhiên, điều này có xu hướng hạn chế các tác động của con người vào hệ thống Với một hệ thống phức tạp như CAPP thì việc này làm cho

hệ thống trở nên kém linh hoạt và khó thích ứng Chính vì vậy hệ thống CAPP phối hợp ra đời là sự kết hợp của những kỹ thuật lập QTCN khả sinh CAPP với khả năng

tương tác với người sử dụng Lúc này hệ thống CAPP phối hợp sẽ gồm hai chức năng: thứ nhất là tận dụng các công nghệ thiết lập QTCN theo phương pháp khả sinh và thứ hai là nâng cao khả năng giao tiếp và tương tác với người sử dụng Tương tác với người sử dụng này có thể trong một chu trình đánh giá hay cập nhật

dữ liệu nào đó hoặc cho phép đưa ra quyết định cuối cùng khi nảy sinh các vấn đề

xung đột mà không thể giải quyết tự động được [20]

Việc xây dựng một công cụ cho phép tự động nhận dạng các đối tượng gia công

từ mô hình vật thể rắn 3D là một vấn đề quan trọng cần phải quan tâm đầu tiên khi xây dựng mô-đun CAPP tích hợp trong các phần mềm CAD/CAM thương mại Hiện nay đa phần các phần mềm CAD/CAM thương mại đều không tích hợp hoặc chưa tích hợp đầy đủ các công cụ cho phép cung cấp thông tin hình học của chi tiết

đủ để nhận dạng các đối tượng gia công [20] Hơn nữa, mô hình CAD chứa chi tiết các thông tin hình học về chi tiết gia công, tuy nhiên đó không phải là các thông tin gia công được dùng trực tiếp trong các lĩnh vực sản xuất như lập QTCN Để giải quyết vấn đề tạo mối giao tiếp giữa CAD và CAPP, việc tự động nhận dạng đối tượng gia công có ý nghĩa hết sức quan trọng

Trong khoảng bốn thập niên trở lại đây, CAPP đã thu hút sự tập trung của nhiều nhà nghiên cứu Trong đó, tự động nhận dạng đối tượng gia công từ các đối tượng tạo hình là một vấn đề được quan tâm nhiều hơn cả Bên cạnh nhiều thành tựu đáng

kể đã được công bố, cũng còn nhiều khó khăn chưa giải quyết được đặt ra với các nhà nghiên cứu không chỉ ở trong và ngoài nước Những tóm tắt sau sẽ chỉ ra tình hình nghiên cứu ở cả trong và ngoài nước về cả những thành quả đạt được và các thách thức đặt ra

Thực tế ở trong nước hiện nay, chưa nhiều nhà nghiên cứu tập trung đi sâu vào lĩnh vực CAPP nói chung và tự động nhận dạng đối tượng gia công nói riêng nên những kết quả đạt được còn hết sức khiêm tốn Tác giả Vương Sĩ Kông đã xây dựng phương pháp tự động thiết kế QTCN gia công chi tiết dạng càng mà ở đó đầu vào là các bản vẽ 2D CAD cứng có sẵn trong thư viện [9] Một nhược điểm lớn nhất của cách tiếp cận này là hệ thống rất khó làm việc với những đầu vào là các chi tiết khác không có trong dữ liệu của hệ thống Tác giả Chu Đức Hòa đã thành công khi xây dựng phương pháp thiết kế QTCN dạng trục ứng dụng công nghệ nhóm [8] Điểm thành công của nghiên cứu này so với nghiên cứu trước là tác giả đã xây dựng được một phần mềm cho phép thiết kế những chi tiết dạng trục đơn giản trên đó và đồng thời nhận dạng được đối tượng gia công từ chính đối tượng hình học 2D đã thiết kế trong hệ thống Khi xây dựng như vậy, tác giả đã đảm bảo tính tự động ở khâu nhận dạng nhưng cách làm này chỉ phù hợp với những chi tiết dạng trục có kết cấu tròn

xoay đơn giản có thể hiểu được bằng cách đọc bản vẽ CAD 2D chứ khó áp dụng với các chi tiết dạng hộp mà ở đó kết cấu phức tạp hơn nhiều Như vậy, với các hệ thống CAPP đã được xây dựng từ các nghiên cứu ở trong nước thì đầu vào của hệ thống mới chỉ dừng lại ở các bản vẽ chi tiết mẫu có sẵn trong thư viện hoặc các bản

vẽ CAD 2D mà chưa nghiên cứu nào tích hợp được CAD 3D vào hệ thống CAPP

Do đó, phạm vi của nghiên cứu chủ yếu chỉ là xuất ra được QTCN của chi tiết mẫu

có sẵn trong thư viện hoặc các biên dạng trục đơn giản

Vấn đề tự động nhận dạng các đối tượng gia công từ các đối tượng hình học là một trong những vấn đề phức tạp của CAPP và đã thu hút được rất nhiều nhà nghiên cứu ngoài nước S M Amaitik đã xây dựng ra một hệ thống tự động thiết lập QTCN thông minh cho các chi tiết 2.5D [41] Trong hệ thống này, tác giả đã xây dựng một mô-đun cho phép thiết kế các đối tượng gia công 2.5D cơ bản như hốc, bậc, rãnh tích hợp trong AutoCAD Ưu điểm của phương pháp này là họ sẽ không mất thời gian nhận dạng và trích xuất đối tượng nữa bởi vì các đối tượng gia công đã hình thành và có thể lấy dữ liệu ngay trong quá trình người sử dụng xây dựng mô-hình vật thể rắn Ưu điểm thứ hai là hệ thống là kết quả của nhận dạng được xuất ra dưới dạng file STEP AP224 - một định dạng file trung gian tiêu chuẩn cho CAPP Nhưng nhược điểm lớn nhất của cách tiếp cận này là cho dù người sử dụng đã có một mô hình vật thể rắn vẽ được bằng các phần mềm CAD thương mại rồi, họ vẫn phải mất thời gian vẽ lại vật thể rắn họ muốn thiết lập QTCN trên mô-đun CAD mà tác giả đã xây dựng Điều này, đôi khi cũng gây khó khăn, lãng phí thời gian và công sức đối với người sử dụng Một giới hạn khác của hệ thống này là

nó chỉ cho phép xây dựng và nhận dạng các đối tượng gia công 2.5D chứ chưa cho phép làm việc với các đối tượng gia công 3D

Một hướng đi khác khá phổ biến trong các nghiên cứu hiện nay là trực tiếp nhận dạng các đối tượng gia công từ các định dạng file trung gian như IGES, STEP hay DWG v.v Để thuận tiện cho việc trao đổi giữa các phần mềm CAD khác nhau,

đa số các phần mềm đều có khả năng lưu các file thiết kế chi tiết dưới dạng các định dạng file trung gian Các file này cũng chính là cầu nối thông tin giữa các phần mềm CAD thương mại hiện nay Tác giả T Yifei đã xây dựng phương pháp tự động nhận dạng các đối tượng gia công từ định dạng file trung gian STEP AP214 [48] Bằng cách trích xuất các dữ liệu khởi tạo đối tượng hình học như các mặt phẳng, các mặt bao, các vòng kín cạnh (edge loop), các đường và đỉnh cùng các vecto chỉ hướng của nó Một thuật toán sẽ được áp dụng để hợp các mặt thành một đối tượng hình học rồi dùng các luật để nhận dạng ra các đối tượng gia công Bởi vì trong định dạng các file trung gian đều không chỉ rõ các thông số liên quan đến dung sai kích thước hay vị trí tương quan v.v Vì vậy họ đề xuất phương án ghi các thao tác thực hiện dưới dạng code (macro) trong quá trình thiết kế vật thể rắn rồi sau đó xây dựng hàm đọc các macro để lấy các dữ liệu này Rõ ràng, để có được các yêu cầu kỹ thuật

liên quan đến quá trình gia công, ngoài các thông số hình học được trích xuất một cách tự động thì hệ thống này vẫn phải tiến hành nhận dạng bên trong phần mềm tạo dựng vật thể 3D chứ không thể tách rời độc lập Đó cũng là giới hạn chung của các phương pháp nhận dạng theo định dạng file trung gian mà nhiều tác giả sử dụng Tác giả H.C.W Lau đã xây dựng một hệ thống CAPP tích hợp với CAD cho phép nhận dạng các chi tiết từ dạng file STEP Các biên dạng 2.5D cơ bản đã được nhận dạng và QTCN đã được đưa ra nhưng chưa xử lý được các vấn đề nhận dạng các yêu cầu kỹ thuật nên đa phần các bước/NC được nhận dạng chỉ đa phần với mục đích tạo hình, chưa phù hợp với các chi tiết gia công thực tế [28]

Tác giả V.B Sunil đã xây dựng phương pháp dựa trên các sơ đồ quan hệ và các luật cho phép nhận dạng các đối tượng gia công độc lập lẫn mối quan hệ giao nhau giữa chúng từ các file định dạng B-Rep [49] Tác giả này đã giải quyết một vấn đề khó trong nhận dạng đối tượng đó là sự giao nhau giữa các đối tượng Phương pháp

mà tác giả áp dụng trước hết là xây dựng sơ đồ quan hệ giữa các mặt của toàn bộ chi tiết, sau đó tiến hành xử lý và gộp nhóm các mặt thành các đối tượng hình học khác nhau Cuối cùng áp dụng những luật nhận dạng hốc, rãnh, bậc trên cơ sở phân tích số lượng và mối quan hệ giữa các nút, cạnh và bậc qua các sơ đồ này

8

Hình 1.4 Sơ đồ quan hệ và luật nhận dạng hốc [49]

Như mô tả ở Hình 1.4, với hai đối tượng hốc có giao nhau, các sơ đồ quan hệ và luật nhận dạng qua mối quan hệ giữa số lượng các nút (N), cạnh (A) và số bậc lớn nhất của các nút (Dmax) được áp dụng để nhận dạng hai hốc Về cơ bản, hướng tiếp cận này cho phép dễ dàng nhận dạng với các đối tượng gia công 2.5D những gặp khó khăn trong khâu thuật toán khi nhận dạng các đối tượng gia công 3D và nhiều trục Ngay cả với các đối tượng gia công 2.5D cũng chỉ chủ yếu ở các chi tiết dạng cắt chứ chưa tập trung vào dạng khối Một hạn chế khác của hướng tiếp cận này là việc chuyển đổi dữ liệu một số biên dạng phức tạp cũng gây ra những sai sót

Hướng đi thứ ba của tự động nhận dạng đối tượng gia công là nhận dạng trực tiếp ngay bên trong phần mềm tạo dựng vật thể 3D luôn Một số phần mềm CAD 3D

thương mại như AutoCAD, Solidworks, CATIA, Pro-Engineer đều có khả năng lập trình giao diện ứng dụng (API) cho phép nhúng kết và lập trình bên trong phần mềm Tác giả M.T Hayasi đã xây dựng phương pháp tự động nhận dạng đối tượng gia công bằng cách sử dụng API tích hợp trong phần mềm AUTODESK INVENTOR [33] Tác giả đã phát triển một phương pháp nhận dạng trên cơ sở các luật xuất phát từ những dữ liệu trích xuất từ chính trong phần mềm bao gồm số lượng các mặt và số lượng các cạnh trên mặt cơ sở của đối tượng hình học Mô-đun này có thể nhận dạng ra các đối tượng gia công 2.5D như hốc, rãnh và bậc v.v nhưng có hạn chế với một số dạng đối tượng hình học giao nhau X Zhou giới thiệu một phương pháp nhận dạng các đối tượng gia công 2.5D dựa vào việc phân tích đặc tính trong-ngoài của mỗi cạnh và mối quan hệ giữa các mặt [53] Hình 1.5 mô

tả luật nhận dạng đối tượng gia công dạng rãnh thông chữ nhật thông qua quan hệ giữa các mặt trong đối tượng (có ba mặt trong đó có hai cặp mặt vuông góc Cperp

và một cặp mặt song song nhau Cpar) và đặc tính trong/ngoài của cạnh giao giữa các mặt (có hai cặp mặt tiếp giáp nhau qua cạnh trong Aco) Hệ thống nhận dạng được xây dựng trong phần mềm UNI-GRAPHICS

Rãnh thông chữ nhật

Aco: Cặp mặt phẳng tiếp giáp nhau qua một cạnh trong Cpar: Cặp mặt song song nhau

Cperp: Cặp mặt vuông góc nhau

Hình 1.5 Luật nhận dạng rãnh thông chữ nhật

Mặc dù hướng đi chỉ hạn chế với một phần mềm CAD mà nó được thiết kế nhưng nó có thể tiếp cận tới một thư viện lớn để trích xuất dữ liệu Không chỉ trích xuất được những dữ liệu hình học mà nó có thể dễ dàng truy xuất tới các yêu cầu kỹ thuật như độ nhám, dung sai kích thước v.v Một ưu điểm khác của cách tiếp cận này là mặc dù không mất quá nhiều thời gian cho công việc xây dựng mô-đun thiết

kế ta vẫn có thể tạo ra sự kết nối khá hoàn chỉnh và tự động với CAD, hỗ trợ cho việc xử lý dữ liệu đầu vào một cách hiệu quả Vấn đề hạn chế trong một phần mềm

có thể chấp nhận được khi mà hiện nay đa số các phần mềm đều có khả năng đọc được các file vẽ từ các phần mềm CAD/CAM khác Do đó, phương pháp nhận dạng đối tượng gia công ngay bên trong phần mềm CAD thương mại được lựa chọn trong nghiên cứu của luận án Trong các phương pháp nhận dạng đối tượng gia công này,

hầu như các nghiên cứu đã cơ bản nhận dạng được các đối tượng hình học 2.5D [33] như mô tả ở Hình 1.6 nhưng vẫn còn hạn chế ở những đối tượng tạo hình sử dụng phương thức gia công 3D hay nhiều trục Thực tế cũng cho thấy hiện nay việc chuyển đổi dữ liệu file CAD giữa các phần mềm CAD 3D hay nhận dạng các đối tượng tạo hình khá dễ dàng ngay cả với những biên dạng phức tạp tuy nhiên các mô-đun nhận dạng đối tượng gia công chỉ mới dừng lại ở các đối tượng 2.5D ví dụ trong CATIA chỉ có một mô-đun trợ giúp nhận dạng đối tượng gia công 2.5D

(Prismatic Machining Preparation Assistant) [15]

Hình 1.6 Đối tượng gia công 2.5D cơ bản

Thêm vào đó, hầu như các nghiên cứu ở các phương pháp đều chỉ tập trung nhận dạng các đối tượng cắt chứ chưa tập trung nhiều vào đối tượng khối [20] Vấn đề các đối tượng cắt giao nhau hoặc đối tượng cắt giao nhau với đối tượng đảo cũng chưa được giải quyết hoặc chưa được giải quyết triệt để Họ chỉ giới hạn những đối tượng nhận dạng ở một số dạng giao nhau cơ bản và phổ biến Hơn thế nữa, vấn đề mối quan hệ giữa các đối tượng gia công và phương pháp gia công chưa được quan tâm đến một cách đầy đủ trong thuật toán nhận dạng Đó cũng chính là những hạn chế cơ bản đã được tác giả Alireza Mokhtar tổng hợp trong nghiên cứu của [12] Những hạn chế trên sẽ được đề cập đến và giải quyết cụ thể trong thuật toán nhận dạng cho phép nhận dạng không chỉ những đối tượng tạo hình 2.5D, 3D mà cả những đối tượng cần sử dụng phương thức gia công nhiều trục với nhiều kiểu giao nhau phức tạp khác nhau

1.4 Lựa chọn dụng cụ cắt

Việc lựa chọn dụng cụ cắt là một công đoạn hết sức quan trọng trong gia công cơ khí bởi vì nó ảnh hưởng đến nhiều yếu tố liên quan đến chất lượng và năng suất gia công Vì thế, một trong những bước đầu tiên của thiết kế nguyên công là lựa chọn dụng cụ cắt tương ứng với đối tượng gia công Về cơ bản, khi lựa chọn dụng cụ cắt cần phải quan tâm đến một số thông số cơ bản như mô tả ở Hình 1.7 Mặc dù CAM

có thể hỗ trợ rất nhiều trong việc mô phỏng đường chạy dao và xuất chương trình gia công NC nhưng việc lựa chọn loại dụng cụ nào phù hợp, với kích thước ra sao thì vẫn cần đến tư duy công nghệ của những người thực hiện công việc CAM Hiện

nay trong các phần mềm CAD/CAM thương mại vẫn chưa có một mô-đun nào hỗ trợ người sử dụng trong việc lựa chọn dụng cụ cắt tương thích với từng loại đối tượng gia công Như vậy, nhu cầu có một mô-đun cho phép lựa chọn dụng cụ cắt dưới sự hỗ trợ của máy tính là hết sức cần thiết đặc biệt là khi CSDL của dụng cụ cắt ở những nhà máy sản xuất là đa dạng và phong phú và tính tự động hóa và tích hợp của hệ thống ngày càng tăng, phù hợp sự biến động về số lượng và chủng loại dụng cụ cắt là thường xuyên Vấn đề lựa chọn dụng cụ cắt cũng thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước [4, 8, 56]

LỰA CHỌN

Đường kính dụng cụ cắt Chiều dài dụng cụ cắt

Các góc độ của dụng cụ cắt

Mảnh cắt

Số răng

Kích thước mảnh cắt Hình dáng mảnh cắt Đặc tính hình học của cạnh cắt

Vật liệu cắt

Trục gá dao (Tool Holder)

Loại trục gá Kích thước trục gá

Liền khối/ răng chắp

Chủng loại dụng cụ cắt

Mũi khoan/Mũi khoét/Mũi doa…

Dao phay ngón/Dao phay mặt đầu

Hình 1.7 Các yếu tố cơ bản cần xác định khi lựa chọn dụng cụ cắt

1.4.1 Lựa chọn chủng loại dụng cụ cắt

Tổng hợp các nghiên cứu trong nước, một số hệ thống CAPP áp dụng cho phương pháp tiện đã được xây dựng và vấn đề lựa chọn dụng cụ cắt cũng đã được nêu ra như một bước phải tiến hành trong CAPP nhưng các tác giả chưa tập trung nghiên cứu chuyên sâu Tác giả Chu Đức Hòa đã xây dựng CSDL dụng cụ cắt trong SQL server và mối quan hệ giữa các dữ liệu nhưng việc tra cứu dụng cụ cắt mới chỉ dừng ở việc tin học hóa việc lựa chọn dụng cụ cắt thủ công [8] Tác giả Nguyễn Phú Hoa - người tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính - đã xây dựng một bộ mã hóa dụng cụ cắt bao gồm thân dụng cụ và lưỡi

cắt dụng cụ nhưng phương pháp lựa chọn dụng cụ cũng chưa được đề cập cụ thể [4]

Công việc lựa chọn dụng cụ cắt được tiến hành qua nhiều công đoạn nên nghiên cứu trên thế giới cũng phát triển theo nhiều định hướng khác nhau B Arezoo đã xây dựng thành công hệ thống tự động lựa chọn dụng cụ cắt theo hệ chuyên gia EXCATS [14] Hệ thống này đã xây dựng được một CSDL của nhiều hãng sản xuất dao cụ khác nhau và một hệ các luật lựa chọn tương thích với nhiều phương pháp gia công khác nhau trong tiện như tiện ngoài, tiện lỗ, tiện rãnh v.v Hệ thống có thể

dễ dàng phát triển, cập nhật với dữ liệu của riêng phù hợp với đặc thù sản xuất của nhiều công ty Chế độ cắt khuyến cáo sẽ được đưa ra trên cơ sở những dụng cụ đã được lựa chọn Tiêu chí để của hệ thống lựa chọn đưa ra là số lượng dụng cụ cắt là nhỏ nhất, lựa chọn kích thước trục cán dao là lớn nhất, bán kính góc lượn là lớn nhất và kích cỡ của mảnh ghép là nhỏ nhất Những tiêu chí này được đánh giá rời rạc nên dẫn đến có những lựa chọn về mặt kinh tế đảm bảo nhưng về mặt chất lượng chưa chắc đã thỏa mãn

Phương pháp trí tuệ nhân tạo là mạng nơ ron đã được áp dụng để lựa chọn loại dụng cụ cắt trong nghiên cứu của S M Amaitik [43] trong hệ thống ST-FeatCAPP

Mô hình mạng nơ ron với lớp đầu vào là loại đối tượng gia công, đặc điểm đóng/mở hay kín/thông của đối tượng, tỉ lệ kích thước và đặc tính côn của đối tượng và lớp đầu ra là hai mươi loại dụng cụ cắt khác nhau như dao phay mặt đầu, dao phay ngón, dao phay cầu v.v như mô tả ở Hình 1.8

Dạng đối tượng

Đặc điểm của đối tượng

Tỷ lệ kích thước của đối tượng

Độ côn của đối tượng

Phương pháp gia công

Mũi khoan tâm Mũi khoan Mũi khoét miệng vuông

Mũi doa Mũi khoét miệng loe

Mũi taro Dao phay ngón đầu phẳng Dao phay ngón đầu cầu Dao phay ngón vê góc Dao phay mặt đầu Dao phay ren Dao phay mặt lồi Dao phay mặt lõm

LỚP ĐẦU VÀO

CÁC LỚP ẨN

LỚP ĐẦU RA

Hình 1.8 Cấu trúc mạng nơron trong lựa chọn loại dụng cụ cắt

Một bộ dữ liệu lựa chọn dụng cụ theo những dữ liệu đầu vào được xây dựng như một bộ dạy học cho mạng nơ-ron, từ đó mạng nơ-ron sau khi xây dựng có thể tự

động lựa chọn dụng cụ cắt như tư duy suy luận của bộ não người Tuy nhiên, phương pháp lựa chọn này chỉ mới dừng lại ở việc lựa chọn sơ bộ loại dụng cụ cắt chứ chưa cụ thể và chi tiết ví dụ như loại dao liền khối hay răng chắp, khi một loại đối tượng có nhiều phương án lựa chọn loại gia công khác nhau thì chưa có hình thức đánh giá lựa chọn phương án ưu tiên

Tác giả Abdelilah phát triển một phương pháp tự động lựa chọn dụng cụ cắt cho quá trình phay dựa trên đối tượng gia công chứ không phải là tương thích với phương pháp gia công [10] Họ đã xây dựng CSDL dụng cụ cắt của Sandvik và kết quả lựa chọn của họ cũng là gồm một danh sách các dụng cụ với nhiều loại khác nhau có thể phù hợp với đối tượng gia công đó chứ chưa đánh giá được loại dụng cụ nào tốt hơn trong số các loại dụng cụ đó Tác giả D Vukelica cũng thành công khi xây dựng một hệ thống lựa chọn tất cả các loại dụng cụ cắt theo một vài tiêu chí được lựa chọn trước [50] Nhìn chung, hạn chế lớn nhất của các hệ thống lựa chọn dụng cụ cắt trên là chưa tìm ra được phương pháp đánh giá loại dụng cụ nào tốt hơn trong một số các loại dụng cụ phù hợp với một đối tượng gia công nào đó Điều này dẫn đến những bối rối cho người sử dụng trong việc quyết định loại dụng cụ nào thích hợp hơn cả

Từ những phân tích các hướng nghiên cứu kể trên, rõ ràng một phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt cho phép đánh giá được toàn diện nhiều tiêu chí như chất lượng, giá thành, khả năng bóc tách phoi v.v là hết sức cần thiết Một thứ tự lựa chọn ưu tiên các loại dụng cụ cắt cũng nên được đưa ra để trợ giúp ra quyết định cho người

kỹ sư Việc đưa ra quyết định với chi phí thấp nhất đôi khi sẽ thiếu thiết thực vì nó

bỏ qua các nhân tố định tính Phương pháp phân tích thứ bậc đa tiêu chí theo hướng linh hoạt được phát triển và sử dụng trong luận án để lựa chọn loại dụng cụ cắt cho phép đánh giá toàn diện các tiêu chí nhưng vẫn đảm bảo thời gian xử lý nhanh trong một CSDL lớn

1.4.2 Lựa chọn kích thước dụng cụ cắt

Trong lập QTCN, lựa chọn dụng cụ cắt đặc biệt là kích thước dụng cụ có ý nghĩa quan trọng vì nó ảnh hưởng đến nhiều yếu tố khác như chế độ cắt và thời gian gia công Trong khoảng vài ba thập niên trở lại đây, việc lựa chọn dụng cụ cắt đã thu hút sự tập trung của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới Tác giả T Limy đã xây dựng phương pháp lựa chọn đường kính dụng cụ cắt trên cơ sở xây dựng thuật toán

để tính toán thể tích gia công của từng dụng cụ cắt thô và tinh và so sánh các phương án để đưa ra lựa chọn tốt nhất dựa trên thời gian gia công [47, 56] Phương

án lựa chọn kích thước dụng cụ cắt dựa vào việc hình thành các đường chạy dao đã được tác giả Chun-Fong You xây dựng [17] Theo đó tổng thời gian gia công của các dụng cụ cắt khả thi được tính toán sau đó đem so sánh với nhau và đưa ra bộ

dụng cụ cắt tối ưu có thời gian gia công nhỏ nhất Theo hai phương pháp này sẽ mất khá nhiều thời gian nếu có nhiều loại dụng cụ với các kích thước khác nhau trong thư viện dụng cụ cắt

1.5 Thiết lập thứ tự nguyên công

Thiết lập thứ tự nguyên công là một trong những bước quan trọng nhất của CAPP cũng cần được thiết lập dưới sự trợ giúp của máy tính Việc thiết lập thứ tự nguyên công không chỉ đảm bảo chi phí gá đặt và gia công tối ưu mà còn phải thỏa mãn các yêu cầu ràng buộc thứ tự Lập thứ tự nguyên công được tiến hành tự động không chỉ đảm bảo tính chính xác cao trên cơ sở tính toán mà còn đảm bảo thời gian thiết lập nhanh

Tối ưu hoá thứ tự nguyên công đã được nhiều tác giả ở trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu Nhiều phương pháp đã được áp dụng và đã đạt được nhiều kết quả nhất định.Tác giả Nguyễn Phú Hoa đã xây dựng phương pháp thiết kế QTCN gia công cắt gọt có trợ giúp của máy tính [4] Trong nghiên cứu của mình, tác giả đã phát triển mô hình tối ưu hóa QTCN bằng phương pháp ma trận chi phí gia công cực trị với mục tiêu đảm bảo chi phí gia công là nhỏ nhất Một ví dụ về tối ưu hóa QTCN cho chi tiết tiện đã được tác giả đưa ra để mô tả phương pháp Mặc dù, tác giả đã xây dựng được mô hình tối ưu hóa cho phép lựa chọn phương án thiết lập QTCN tối ưu trong các phương án khả thi nhưng chưa đề cập tới phương pháp thiết lập các ràng buộc thứ tự giữa các bước/NC Tác giả Vương Sĩ Kông đã phát triển hệ thống thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính cho chi tiết dạng càng [9] Trong nghiên cứu, tác giả đã áp dụng phương pháp CAPP khả biến để tự động thiết lập QTCN trên cơ sở QTCN của chi tiết đại diện được thiết lập sẵn Do đó, khả năng hình thành nhiều phương án khả thi và tối ưu hóa phương án bị hạn chế Tác giả Trần Anh Vàng đã phát triển thuật toán đàn kiến để tối ưu hoá thứ tự gia công trên

cơ sở tối ưu hoá chi phí vận chuyển [7] Kết quả cho thấy, thuật toán đàn kiến có khả năng xử lý nhanh hơn so với thuật toán gen

Nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này đã được công bố trên thế giới và khá nhiều phương pháp đã được xây dựng Để thiết lập thứ tự nguyên công, tác giả Halevi G

đã trình bày một phương pháp trên cơ sở thiết lập ma trận ràng buộc thứ tự của từng đối tượng gia công trong cuốn sách của mình [26] Thuật toán khá đơn giản nhưng thực tế có nhiều phương án lựa chọn thứ tự nguyên công mà chưa có phương pháp lựa chọn tối ưu một phương án cụ thể Hiện nay, trí tuệ nhân tạo ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và việc tối ưu hóa thứ tự nguyên công cũng là một trong số đó [38, 54, 59] Tác giả J A Qudeiri đã xây dựng phương pháp tối ưu hóa thứ tự nguyên công bằng thuật toán người đưa thư nhưng chủ yếu tập trung với tối ưu thứ tự gia công hệ lỗ [30] Trong nghiên cứu, tác giả đã tối ưu

thứ tự nguyên công trên cơ sở tối ưu thời gian di chuyển giữa các đối tượng sao cho nhỏ nhất Tác giả A G Krishna đã sử dụng thuật toán đàn kiến để tối ưu hóa thứ tự nguyên công trên cơ sở tối ưu chi phí gia công là nhỏ nhất [25] Hạn chế của phương pháp này là thời gian xử lý và giải thuật phức tạp A Mokhtar trong nghiên cứu của mình, không đề cập đến vấn đề tối ưu thứ tự nguyên công nhưng xây dựng khá nhiều ràng buộc về thứ tự gia công của những đối tượng gia công 2.5D có giao nhau [35] Kết quả của tác giả tuy chỉ dừng lại ở các đối tượng 2.5D nhưng rất đáng quan tâm và nên được kế thừa luận án này

Với mục tiêu thiết lập thứ tự nguyên công cho QTCN linh hoạt mà ở đó mỗi nguyên công có nhiều phương án lựa chọn máy, dụng cụ cắt hay phương án gá đặt, tác giả W D Li đã sử dụng thuật toán tìm kiếm Tabu và hiệu quả đã được kiểm nghiệm qua một số trường hợp ví dụ [51] Điểm khác biệt của nghiên cứu là phạm

vi áp dụng mở rộng với QTCN linh hoạt khi mà có nhiều phương án lựa chọn khác nhau cho máy, dụng cụ cắt và phương án gá đặt Tương tự như vậy, thuật toán đàn kiến đã được tác giả Xiao-jun Liu sử dụng để thiết lập thứ tự nguyên công cho QTCN tối ưu trên cơ sở đánh giá chi phí gia công [54] Thông qua một số so sánh, kết quả chỉ ra rằng thuật toán đàn kiến mà tác giả Xiao-jun Liu rút ngắn thời gian xử

lý hơn so với thuật toán tìm kiếm Tabu Tương tự như vậy, tác giả X Y Li xây dựng thành công mô hình thiết kế QTCN sản xuất linh hoạt bằng thuật toán gen [52]

Nhìn chung những nghiên cứu trên thế giới đã đạt được những kết quả khá thành công trên lĩnh vực này Những thuật toán tối ưu hóa về cơ bản đã thành công khi đưa ra được thứ tự nguyên công tối ưu theo một tiêu chí về thời gian hay giá thành Hiệu quả của việc sử dụng trí tuệ nhân tạo đã khá rõ rệt nhưng một số phương pháp cũng có hạn chế về thời gian thực thi và xuất hiện những điểm tối ưu cục bộ Hơn thế nữa, để áp dụng những thuật toán này đòi hỏi kiến thức công nghệ thông tin chuyên sâu mà khả năng hiệu chỉnh sử dụng, thân thiện với người sử dụng lại không cao Do đặc thù nhất định của việc thiết lập thứ tự gia công là nó có nhiều ràng buộc thứ tự gia công và số lượng của các bước/NC không nhiều nên khi đưa ra các luật thiết lập hợp lý có thể cho phép loại bỏ được nhiều thứ tự nguyên công không hợp

lý ngay từ đầu và do đó giảm thiểu thời gian xử lý Với phân tích như vậy, phương pháp chọn lọc ghép nhóm đã được xây dựng trong luận án để thiết lập thứ tự nguyên công Phương pháp này cho phép thiết lập thứ tự gia công với chi phí nhỏ nhất trong thời gian xử lý được rút ngắn

Kết luận chương 1

Sau những phân tích và đánh giá cụ thể về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính nhằm khẳng định tính cấp thiết

và định hướng nghiên cứu cho đề tài, có thể rút ra một số kết luận cơ bản như sau:

1 Các phương pháp nhận dạng đối tượng gia công mới chỉ dừng lại ở những thông tin hình học cơ bản chứ chưa bao gồm đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và các mối quan hệ giao nhau là cơ sở quan trọng của việc thiết lập quy trình công nghệ

2 Các phương pháp nhận dạng đối tượng chỉ chủ yếu giới hạn ở các đối tượng dạng cắt 2.5D với khả năng mở rộng sang các dạng đối tượng khác bị hạn chế

3 Các phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt chưa được đánh giá toàn diện nhiều tiêu chí và không phù hợp với một hệ CSDL lớn bao gồm nhiều chủng loại và kích thước dụng cụ cắt

4 Các phương pháp thiết lập thứ tự nguyên công còn hạn chế về tính phức tạp của phương pháp và thời gian xử lý

5 Hệ thống CAPP khả sinh cho phép mở rộng khả năng tương tác với người sử dụng, được tích hợp với các phần mềm CAD thương mại để phù hợp với tính chất phức tạp của công việc thiết lập QTCN là xu hướng phát triển hiện nay

Những kết luận trên đây là cơ sở khoa học cho việc xác định mục đích, nội dung,

đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận án “Nghiên cứu xây dựng hệ

thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC”

TƯỢNG GIA CÔNG

Việc nhận dạng đối tượng gia công được xem như cầu nối quan trọng giữa CAD

và CAPP Kết quả của việc nhận dạng đối tượng gia công sẽ là đầu vào của hệ thống CAPP Mô-đun này không chỉ nhận dạng ra loại đối tượng gia công với đầy

đủ các thông số hình học cơ bản mà còn cần có các yêu cầu kỹ thuật cần thiết để phục vụ cho bước thiết kế QTCN

Vị trí của bước trích xuất và nhận dạng đối tượng gia công được thể hiện ở ba bước đầu tiên trong sơ đồ các bước thiết lập quy trình gia công một chi tiết được phát triển trong luận án (Hình 2.1) Xuất phát từ dữ liệu đầu vào gồm bốn yếu tố:

mô hình vật thể rắn 3D cùng các yêu cầu kỹ thuật cơ bản, thông tin về vật liệu gia công, dạng sản xuất, phương pháp chế tạo phôi và xử lý nhiệt và xác định kích thước phôi, thông qua hệ thống trợ giúp thiết lập QTCN sẽ hình thành nên kết quả đầu ra gồm hai phiếu cơ bản là phiếu dụng cụ cắt và phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công Trong sơ đồ tổng thể của hệ thống như vậy, quá trình trích xuất và nhận dạng gồm ba bước cơ bản:

Bước đầu tiên là phải tách biệt các đối tượng vẽ phác thành các đối tượng riêng

lẻ Sở dĩ phải phân tách như vậy vì một đối tượng tạo hình như dạng khối kéo

(Boss-Extrude), dạng cắt kéo (Cut-Extrude), dạng khối quét (Sweep) v.v được thiết

kế trong các phần mềm CAD có thể xuất phát từ một hay nhiều các đối tượng vẽ

phác (Sketch)

Bước thứ hai sẽ là trích xuất ra các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công tương ứng (bước 2a), các thông tin thiết kế của mỗi đối tượng (bước 2b), kích thước cơ bản của đối tượng (bước 2c) cùng các đặc tính giao nhau của nó (bước 2d)

Quá trình nhận dạng đối tượng gia công (bước 3) sẽ được thiết lập trên cơ sở các

dữ liệu trích xuất đó Một quá trình nhận dạng phương pháp gia công trên cơ sở các luật được xây dựng dựa vào đối tượng gia công đã nhận dạng và các yêu cầu kỹ thuật liên quan đến quá trình gia công ở các bước tiếp sau

Toàn bộ quá trình này được tiến hành hoàn toàn tự động và tất cả các kết quả xử

lý trung gian và kết quả nhận dạng được lưu vào trong Microsoft SQL Server, một

phần mềm quản lý dữ liệu chuyên nghiệp Sau khi đã nhận dạng đối tượng gia công cho từng đối tượng tạo hình, ta đã xây dựng được kết nối tự động giữa CAD và CAPP Các mô-đun trong CAPP sẽ sử dụng dữ liệu đầu vào này để tiến hành các bước xử lý tiếp theo như lựa chọn máy, dụng cụ cắt hay thứ tự gia công để cho phép xuất kết quả đầu ra của hệ thống là các phiếu công nghệ chỉ dẫn cho quá trình gia công

Bước 3

Nhận dạng các đối tượng gia công bằng các luật nhận dạng

Bước 5 Lựa chọn máy/dao cho từng đối tượng gia công

Bước 5 Lựa chọn máy/dao cho từng đối tượng gia công

Bước 2b

Trích xuất các thông tin thiết kế cho mỗi đối tượng tạo hình

Bước 2a

Trích xuất các yêu cầu kỹ thuật

Bước 6 Nhận dạng chính xác phương pháp gia công

Kích thước cơ bản Mức độ thô/tinh Phương thức gia công Bước 7

Thiết lập thứ tự nguyên công

Bước 7 Thiết lập thứ tự nguyên công

Bước 4 Nhận dạng sơ bộ phương pháp gia công

Bước 4 Nhận dạng sơ bộ phương pháp gia công

Bước 2d

Trích xuất các đặc tính giao nhau của đối tượng

ĐẦU VÀO

Bước 2c

Trích xuất các kích thước cơ bản của đối tượng

Mô hình CAD 3D trong SolidWorks với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật

Vật liệu gia công Dạng sản xuất Phương pháp chế tạo phôi và xử lý nhiệt

ĐẦU RA

Phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công Phiếu dụng cụ cắt

ĐẦU VÀO

Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết lập quy trình gia công

2.2 Phân loại các đối tượng gia công

Mỗi đối tượng gia công sẽ có những phương pháp gia công hay lựa chọn trang bị công nghệ (máy, dụng cụ cắt) khác nhau Do vậy, việc phân loại đối tượng gia công một cách cụ thể có ý nghĩa quan trọng nhằm đảm bảo việc thiết kế QTCN được chính xác Trong các nghiên cứu trước đây, một số khái niệm về các đối tượng gia

công dạng cắt 2.5D [33, 23, 36] đã được xây dựng nhưng chưa nhiều nghiên cứu nào tập trung phân loại các đối tượng gia công dạng khối, dạng đảo Luận án đã mở rộng phân loại về đối tượng gia công đã đề xuất trong các nghiên cứu trước để hình thành nên một cách phân loại chi tiết và cụ thể hơn đặc biệt là với các đối tượng dạng khối và dạng đảo Hình 2.2 mô tả 8 nhóm đối tượng gia công cơ bản với các đặc điểm tạo hình tương ứng của từng nhóm đối tượng Cơ sở của việc phân loại theo đặc điểm tạo hình này là dựa vào phương pháp gia công và hướng tiếp cận gia công ở trong hay ngoài, theo một hay nhiều hướng Từ những đặc điểm đó, mỗi nhóm đối tượng gia công cơ bản lại được phân nhóm thành các đối tượng gia công

cụ thể như mô tả ở Hình 2.3 Trong cách phân loại này, đặc tính đảo của đối tượng thể hiện rất rõ vì nó có ảnh hưởng lớn tới việc lựa chọn phương pháp gia công và dụng cụ cắt do đặc tính này sẽ làm thay đổi bản chất của đối tượng gia công

ĐỐI TƯỢNG GIA CÔNG

Lỗ Bậc Rãnh Hốc Bề mặt Đảo Khối Mặt chuyển tiếp

Đối tượng đã được định nghĩa Đối tượng mới được định nghĩa trong luận án

Hình 2.2 Phân loại các đối tượng gia công theo đặc điểm tạo hình

ĐỐI TƯỢNG GIA CÔNG

Lỗ khoét loe miệng

Lỗ khoét miệng vuông

Rãnh hở 1 đầu

Rãnh hở 2 đầu

Hốc kín không thông

Hốc kín thông

Hốc hở không thông

Hốc hở thông

Khối đa hướng Khối một hướng Khối tách biệt

Đảo đa hướng Đảo một hướng Đảo phân cách

Bậc/rãnh có đảo

BỀ MẶT

Mặt liên tục

Mặt gián đoán

MẶT CHUYỂN TIẾP

Vát mép ngoài

Vê tròn ngoài

Thành mỏng

Đối tượng đã được định nghĩa

Đối tượng mới được định nghĩa trong luận án

Hình 2.3 Các loại đối tượng gia công

Với các đối tượng gia công dạng khối và dạng đảo, việc phân loại chủ yếu dựa trên hướng chạy dao tự do, theo một hướng hay bị tách biệt Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định cụ thể vị trí tiếp cận dụng cụ cắt vì nó ảnh hưởng khá nhiều đến thời gian gia công Với các bề mặt cũng cần phải phân biệt bề mặt liên tục hay gián đoạn vì ảnh hưởng đến việc chọn dụng cụ cắt để đảm bảo lực cắt không ảnh hưởng tới đối tượng gia công do độ cứng vững của chi tiết thấp

Không chỉ phân loại chi tiết các đối tượng gia công mà việc xác định phương thức gia công (2.5D/3D hay nhiều trục) tương ứng với mỗi đối tượng gia công cũng

có ý nghĩa hết sức quan trọng đặc biệt với việc lựa chọn phương pháp gia công và các trang bị công nghệ như máy và dụng cụ cắt Hình 2.4 là ví dụ một số đặc điểm tạo hình đặc thù là cơ sở để lựa chọn phương thức gia công tương ứng Cơ sở của việc phân loại các đối tượng theo phương thức gia công này là đặc điểm tạo hình của mặt đáy và đường sinh hay đặc điểm vát của đối tượng

PHƯƠNG THỨC GIA CÔNG

Không vát

Đáy phẳng Đường sinh thẳng

Vát âm hoặc vát đa hướng Đường sinh hướng âm

3D (4D/5D)

Vát dương Đáy không phẳng Đường sinh hướng dương

Hình 2.4 Đặc điểm của các phương thức gia công

Trong các phần mềm CAD 3D, người ta thường phân hai loại đối tượng tạo hình dạng thuộc tính (feature) là đối tượng tạo hình dạng vẽ phác và đối tượng tạo hình dạng thiết lập đặc tính, vị trí như mô tả ở Hình 2.5

PHÂN LOẠI ĐỐI TƯỢNG TẠO HÌNH

Hình 2.5 Phân loại các đối tượng tạo hình

Với đối tượng tạo hình dạng vẽ phác thì cơ sở của việc tạo hình là các hình vẽ phác được tạo ra trên các bề mặt đã có sẵn của chi tiết hay các mặt phẳng tham chiếu Còn các đối tượng tạo hình dạng thiết lập đặc tính, vị trí thì không cần thiết phải tạo ra các hình vẽ phác mà nó hình thành bằng cách xác định vị trí và thông số

cơ bản của đối tượng Chính do cách thức tạo hình khác nhau nên việc trích xuất và nhận dạng cũng khác nhau giữa các đối tượng này

2.3 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng tạo hình dạng vẽ phác

Luận án đã đề xuất ra một phương pháp nhận dạng đối tượng gia công mới trên

cơ sở các luật từ bảy dữ liệu cơ bản kết hợp với CSDL thống nhất với các đối tượng 2.5D, 3D và nhiều trục, đồng thời tương thích với cả đối tượng dạng cắt và dạng khối

2.3.1 Quá trình trích xuất dữ liệu với trường hợp đối tượng tạo hình

2 QUÁ TRÌNH NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG GIA CÔNG

TRÊN CƠ SỞ CÁC LUẬT

3 LƯU DỮ LIỆU VÀO SQL SERVER CHO BƯỚC XỬ LÝ TRONG BKCAPP

Dạng điều kiện bao (CT)

Dạng vát (DT) Dạng đảo (IT) Hướng mở của đối tượng (DM)

+ Phương thức gia

công 2.5D, 3D hay

4D/5D

+ Hốc + Bậc + Rãnh + Khối + Đảo + Khối cơ sở + Lỗ + Đối tượng chuyển tiếp

Đóng/Mở Thông/Kín Hình chữ nhật/Hình tròn/Biên dạng tự do

Vê tròn/Vát mép Ren/Không ren

Hình 2.6 Lược đồ mô tả quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình dạng sketch

Với mỗi đối tượng tạo hình được thiết kế, cần trích xuất ra bảy loại dữ liệu khác nhau bao gồm có loại đối tượng (FT), dạng vẽ phác (ST), hướng vẽ phác (SM), dạng điều kiện bao (CT), dạng vát (DT), dạng đảo (IT) và hướng mở của đối tượng (DM) Tùy từng đặc điểm khác nhau của bảy loại dữ liệu này sẽ được mã hóa bằng

cách dùng các kí tự abc Dữ liệu mã hóa tương ứng với bảy loại dữ liệu được mô tả

Hướng sketch (SD)

Điều kiện bao (CT)

Dạng vát (DT)

Dạng đảo (IT)

Hướng mở của đối tượng (DM)

Không vát

Đường phối hợp đơn giản

Không thông

- hở 2 hướng

Vát hỗn hợp

Đảo thấp hơn

f

Khối quét

Chữ nhật vê tròn

Đường phối hợp bất kỳ

Thông hở 1 hướng

Tự do theo 4 hướng

tròn nghiêng

Tiếp giáp 1 hướng